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高校1~高校2年生 (15-17歳)

物理基礎 熱と熱力学の法則 わかりやすく

熱は温度の差によって移るエネルギーなので、熱い物体と冷たい物体を接触させると、熱い側から冷たい側へ流れます。 物体が受け取る熱量は Q = mcΔT で質量・比熱・温度変化を掛けて求め、気体が受け取った熱は内部エネルギーを増やすか外へ仕事をするのに使われるので ΔU = Q − W が成り立ちます。 P-V グラフでは、曲線の下の面積が、気体が体積を増やしながらした仕事です。 温度を変えると等温曲線が動き、熱 Q と仕事 W を変えると気体の内部エネルギーの変化がどう決まるかが図に表れます。

熱とは何か

🔥 温度差で流れるエネルギー
①熱い物体と冷たい物体を接触させると、二つの温度が等しくなるまで熱が熱い側から冷たい側へ移る
②熱 Q は温度差によって伝わるエネルギーで、単位は J である
③物体の温度を ΔT だけ上げるのに必要な熱量は Q = mcΔT で、質量 m と比熱 c に比例する

P-V グラフと仕事

350 K
💡 グラフの読み方
①温度が一定なら PV が一定なので、曲線は双曲線の形になる
②温度が高いほど同じ体積で圧力が大きく、曲線は原点から遠ざかる
③曲線の下の塗った面積が、気体が膨張しながら外へした仕事 W で、T₂ を上げるとこの面積も大きくなる

熱力学第1法則

50 J
20 J
熱力学第1法則（エネルギー保存）
ΔU = Q − W
内部エネルギーの変化 = 気体が受け取った熱 − 気体がした仕事
⚡ 受け取った熱の行き先
①エネルギーは新たに生まれたり消えたりしないので、気体が受け取った熱 Q は内部エネルギーの増加 ΔU と外へした仕事 W に分かれる
②Q が正なら熱を受け取り、負なら放出する。W が正なら気体は膨張して仕事をし、負なら圧縮されて仕事をされる
③Q と W が等しければ ΔU = 0 で温度は変わらず、W が負なら受けた仕事も加わって内部エネルギーは Q より多く増える

熱量と比熱

熱量
Q = mcΔT
熱量（J）= 質量（kg）× 比熱（J/(kg·K)）× 温度変化（K）
熱平衡
Q放出 = Q吸収 (熱平衡)
外へ逃げる熱がなければ、高温の物体が失った熱は低温の物体が得た熱に等しく、二つの温度が等しくなると熱の移動は止まる

例題で確認

例題 1
質量 2 kg、比熱 0.5 kJ/(kg·K) の物体の温度を 20 K 上げるのに必要な熱量は？
1
熱量の式 Q = mcΔT を使う。
Q = mcΔT
2
m = 2 kg、c = 0.5 kJ/(kg·K)、ΔT = 20 K を代入する。
Q = 2 × 0.5 × 20 = 20 kJ
▸ 20 kJ
比熱が kJ の単位で与えられているので、答えも kJ になる。同じ物体を 40 K 上げるなら倍の 40 kJ が必要である。
例題 2
気体に 80 J の熱を加えると、気体が外部に 30 J の仕事をした。内部エネルギーの変化は？
1
熱力学第1法則 ΔU = Q − W を使う。
ΔU = Q − W
2
Q = +80 J（受け取った熱）、W = +30 J（気体がした仕事）を代入する。
ΔU = 80 − 30 = 50 J
▸ 50 J（増加）
受け取った熱 80 J のうち 30 J は外への仕事になり、残りの 50 J だけ内部エネルギーが増える。

まとめ

熱量
Q = mcΔT
第1法則
ΔU = Q − W
韓国修能 類題
断熱容器内の気体が外部に 120 J の仕事をした。この気体の内部エネルギーの変化は？
①+120 J
②+60 J
③0 J
④−60 J
⑤−120 J
▸ ⑤ −120 J
1
断熱変化では熱の出入りがないので Q = 0 である。
Q = 0 ⇒ ΔU = −W
2
W = +120 J（気体がした仕事）を代入する。
ΔU = −120 J
🎯 試験ポイント
①Q = mcΔT では、比熱 c が大きいほど同じ熱に対する温度変化が小さい
②熱力学第1法則 ΔU = Q − W はエネルギー保存を表す
③等温変化では ΔT = 0 なので ΔU = 0 となり、Q = W
④断熱変化では Q = 0 なので ΔU = −W となり、気体が膨張して仕事をすると温度が下がる
⑤熱はひとりでには高温から低温へしか移らない（熱力学第2法則）
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最終更新

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